(57)【要約】【課題】  簡単な構造で効率良く発電を行なうことができる排気熱発電装置を得る。【解決手段】  排気熱発電装置１０では、排気導入パイプ３８における長手方向の異なる部分から、複数の高温用熱交換路４４が分岐している。排気導入パイプ３８との間に各高温用熱交換路４４を形成する路壁としての素子接触板５０Ａは、一方の面から高温用熱交換路４４内に配置される集熱フィン５０Ｂが突設されており、他方の面が熱発電素子５２の高温側の面に接触している。熱発電素子５２は、上記排気で加熱される高温側と、冷却水にて冷却される低温側との温度差に基づき起電力を生じる。【選択図】      図１
2006083725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の排気を導入する排気導入管における長手方向の異なる部分から分岐した複数の排気分岐路と、
前記排気分岐路の路壁の内面から突設され、該排気分岐路内で前記排気と接触する集熱フィンと、
それぞれ前記路壁に接触した一方の面を高温側とすると共に他方の面を低温側とし、該高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる複数の熱発電素子と、
を備えた排気熱発電装置。
【請求項２】
前記各排気分岐路における排気の出口部にそれぞれ連通され、前記各出口部から流出した排気を装置外に導く排気出口ヘッダをさらに備えた請求項１記載の排気熱発電装置。
【請求項３】
機関の排気を導入する排気導入管に連通した排気分岐路を、該排気導入管との間に形成する路壁と、
前記路壁における前記排気分岐路の形成部位の外面に接触する一方の面を高温側とすると共に他方の面を低温側とし、該高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる複数の熱発電素子と、
を含んで構成される発電ユニットを複数有し、
前記複数の発電ユニットを、ぞれぞれ前記排気導入管の長手方向における異なる部分から前記排気分岐路に排気が導入されるように配置した排気熱発電装置。
【請求項４】
前記各発電ユニットの排気分岐路から排出された排気が他の発電ユニットの排気分岐路に流入することを阻止する仕切壁を、排気の流れ方向に隣り合う発電ユニットの排気分岐路間に設けた請求項３記載の排気熱発電装置。
【請求項５】
前記各発電ユニットの排気分岐路の排気出口側に連通され、各排気分岐路を通過した排気を装置外に排出するための排気排出路をさらに備えた請求項３記載の排気熱発電装置。
【請求項６】
前記複数の発電ユニットを前記排気導入管の長手方向に沿って直線状に配置すると共に、各発電ユニットの排気分岐路の排気流れ方向を前記排気導入管の長手方向に沿う方向とし、
かつ、前記排気導入管の長手方向に隣り合う前記発電ユニットの前記排気分岐路間に設けられ、前記排気導入管の上流側に連通する排気分岐路から下流側に連通する排気分岐路への排気流通を阻止すると共に、該上流側排気分岐路からの排気を前記排気排出路に案内する排気案内部材を設けた請求項５記載の排気熱発電装置。
【請求項７】
前記排気導入管の下流端を閉塞する閉塞壁を備え、
前記排気排出路は、前記排気導入管の上流側に連通する前記排気分岐路の排気出口が、前記排気導入管の下流側に連通する前記排気分岐路の排気出口よりも、排気排出方向の上流側に連通するように構成されており、
かつ、前記排気導入管から該排気導入管の上流側に連通する排気分岐路に流入する排気の流入抵抗を、前記排気導入管から該排気導入管の下流側に連通する排気分岐路に流入する排気の流入抵抗よりも小とした、
請求項６記載の排気熱発電装置。
【請求項８】
前記排気導入管の長手方向に沿って直線状に配置される複数の発電ユニットから成る発電ユニット群を、該排気導入管の周方向に複数配置し、周方向に隣り合う発電ユニット群の間に前記排気排出路を配置した請求項６又は請求項７記載の排気熱発電装置。
【請求項９】
前記排気導入管は、長手方向に対し直角な断面視における外縁が多角形状に形成されており、平坦な外面と前記路壁との間に前記排気分岐路を形成する請求項８記載の排気熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車のエンジンの排気が有する熱を利用して発電を行なう排気熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両において、エンジンの排気熱を利用して発電を行なう排気熱発電装置を搭載したものがある（例えば、特許文献１参照）。この技術では、発電モジュールの高温側を排気管の外周面に押し付けて該発電モジュールの高温側を加熱するようになっており、熱伝達効率を向上するために排気管内に集熱フィンを配設している。そして、排気管の下流側で排気温が低下することを考慮して、下流側ほど排気と接触する集熱フィンの表面積を増す構成を採用している。
【特許文献１】特開２００１−１２２４０号公報
【特許文献２】実開平６−７９１６８号公報
【特許文献３】実開平７−３１５６号公報
【特許文献４】特開平７−１２００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の如き従来の技術では、排気導入管上下流の熱発電素子の温度差すなわち発電効率を維持するために、集熱フィンの構造が複雑化してしまう問題があった。
【０００４】
本発明は上記事実を考慮して、簡単な構造で効率良く発電を行なうことができる排気熱発電装置を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る排気熱発電装置は、機関の排気を導入する排気導入管における長手方向の異なる部分から分岐した複数の排気分岐路と、前記排気分岐路の路壁の内面から突設され、該排気分岐路内で前記排気と接触する集熱フィンと、それぞれ前記路壁に接触した一方の面を高温側とすると共に他方の面を低温側とし、該高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる複数の熱発電素子と、を備えている。
【０００６】
請求項１記載の排気熱発電装置では、排気導入管を機関側から装置外部へ向けて流れる排気が各排気分岐路に導入され、これらの排気分岐路を構成する路壁を介して排気の熱がそれぞれの熱発電素子の高温側に伝達される。これにより、各熱発電素子は高温側と低温側との温度差が確保され、所定の起電力を生じる（状態を維持する）。すなわち、熱発電素子が発電を行なう。路壁には集熱フィンが設けられているため、排気の熱を効率良く熱発電素子の高温側に伝達することができる。
【０００７】
ここで、複数の排気分岐路がそれぞれ排気導入管から分岐しているため、各排気分岐路には排気導入管から高温の排気が直接的に導入され、各排気分岐路に導入される排気の温度差が小さくなる。このため、各排気分岐路に配置される集熱フィンの構造を複雑化することが防止される。
【０００８】
このように、請求項１記載の排気熱発電装置では、簡単な構造で効率良く発電を行なうことができる。また、各排気分岐路が排気導入管の長手方向における互いに異なる部分から分岐しているため、各排気分岐路を排気導入管に近接して配置することができる。このため、装置全体としてコンパクトに構成することが可能である。なお、本請求項１における機関は、ガソリンエンジン等の内燃機関、ガスタービン等の作動に伴って高温の排気を排出する各種機関を含む。
【０００９】
請求項２記載の発明に係る排気熱発電装置は、請求項１記載の排気熱発電装置において、前記各排気分岐路における排気の出口部にそれぞれ連通され、前記各出口部から流出した排気を装置外に導く排気出口ヘッダをさらに備えた。
【００１０】
請求項２記載の排気熱発電装置では、各排気分岐路から流出した排気が排気出口ヘッダを通じて装置外部に導かれる。このため、例えば排気導入管の上流側で分岐した排気分岐路からの流出排気が、排気導入管の下流側で分岐した排気分岐路に導入されることが防止される。これにより、各排気分岐路には、排気導入管から直接的に導入される排気のみが流れるため、各排気分岐路に導入される排気の温度差が一層小さくなり、集熱フィンの構造を複雑化することが防止される（各集熱フィンを同じ構造とすることも可能である）。また、各排気分岐路の背圧が低下し、装置全体としても排気の排出抵抗が低下する。
【００１１】
上記目的を達成するために請求項３記載の発明に係る排気熱発電装置は、機関の排気を導入する排気導入管に連通した排気分岐路を、該排気導入管との間に形成する路壁と、前記路壁における前記排気分岐路の形成部位の外面に接触する一方の面を高温側とすると共に他方の面を低温側とし、該高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる複数の熱発電素子と、を含んで構成される発電ユニットを複数有し、前記複数の発電ユニットを、ぞれぞれ前記排気導入管の長手方向における異なる部分から前記排気分岐路に排気が導入されるように配置した。
【００１２】
請求項３記載の排気熱発電装置では、排気導入管を機関側から装置外部へ向けて流れる排気の一部が各発電ユニットの排気分岐路に導入され、各発電ユニットでは、排気分岐路を構成する路壁を介して排気の熱が熱発電素子の高温側に伝達される。これにより、各発電ユニットの熱発電素子は高温側と低温側との温度差が確保され、所定の起電力を生じる（状態を維持する）。すなわち、熱発電素子が発電を行なう。また、各発電ユニットでは、路壁には集熱フィンが設けられているため、排気の熱を効率良く熱発電素子の高温側に伝達することができる。
【００１３】
ここで、複数の発電ユニットの排気分岐路がそれぞれ排気導入管の異なる部分に連通している（独立して分岐している）ため、各発電ユニット（排気分岐路）には排気導入管から高温の排気が直接的に導入され、各発電ユニットに導入される排気の温度差が小さくなる。このため、各発電ユニットを構成する集熱フィンの構造を複雑化することが防止される。そして、各発電ユニットの排気分岐路を排気導入管の長手方向における互いに異なる部分に連通させているため、これらの排気分岐路を排気導入管の外面と路壁との間に形成する、装置全体としてコンパクトな構成が実現されている。
【００１４】
このように、請求項３記載の排気熱発電装置では、簡単な構造で効率良く発電を行なうことができる。なお、本請求項３における機関は、ガソリンエンジン等の内燃機関、ガスタービン等の作動に伴って高温の排気を排出する各種機関を含む。また、本請求項３における路壁は、例えば各排気分岐路（発電ユニット）に対応して複数設けられても良く、一部材で排気導入管との間に複数の排気分岐路を形成するものであって良い。
【００１５】
請求項４記載の発明に係る排気熱発電装置は、請求項３記載の排気熱発電装置において、前記各発電ユニットの排気分岐路から排出された排気が他の発電ユニットの排気分岐路に流入することを阻止する仕切壁を、排気の流れ方向に隣り合う発電ユニットの排気分岐路間に設けた。
【００１６】
請求項４記載の排気熱発電装置では、少なくとも一部の発電ユニットの排気分岐路が排気の流れ方向に隣り合っており、これら隣り合う排気分岐路間に設けられた仕切壁が上流側の排気分岐路から下流側の排気分岐路へ排気が流入することを阻止する。このため、各発電ユニットの排気分岐路には排気導入管から直接的に導入される排気のみが流れるため、各発電ユニットに導入される排気の温度差が一層小さくなり、集熱フィンの構造を複雑化することが防止される。
【００１７】
請求項５記載の発明に係る排気熱発電装置は、請求項３記載の排気熱発電装置において、前記各発電ユニットの排気分岐路の排気出口側に連通され、各排気分岐路を通過した排気を装置外に排出するための排気排出路をさらに備えた。
【００１８】
請求項５記載の排気熱発電装置では、各発電ユニットの排気分岐路から排出された排気が排気排出路を通じて装置外に排出される。このため、各発電ユニットの排気分岐路の背圧が低下し、装置全体としても排気の排出抵抗が低下する。
【００１９】
請求項６記載の発明に係る排気熱発電装置は、請求項５記載の排気熱発電装置において、前記複数の発電ユニットを前記排気導入管の長手方向に沿って直線状に配置すると共に、各発電ユニットの排気分岐路の排気流れ方向を前記排気導入管の長手方向に沿う方向とし、かつ、前記排気導入管の長手方向に隣り合う前記発電ユニットの前記排気分岐路間に設けられ、前記排気導入管の上流側に連通する排気分岐路から排出された排気が、前記排気導入管の下流側に連通する排気分岐路に流入することを阻止して前記排気排出路に案内する排気案内部材をさらに備えた。
【００２０】
請求項６記載の排気熱発電装置では、排気導入管の長手方向に沿って直線状に配置された複数の発電ユニットの排気分岐路を、排気導入管の長手方向に沿って排気が通過する。各発電ユニットの排気分岐路を通過した排気は、排気案内部材によって、下流側に隣接する発電ユニットの排気分岐路に流入することなく排気排出路に導かれる。これにより、各発電ユニットの排気分岐路には、排気導入管から直接的に導入される排気のみが流れるため、各排気分岐路に導入される排気の温度差が一層小さくなり、集熱フィンの構造を複雑化することが防止される（各集熱フィンを同じ構造とすることも可能である）。また、各発電ユニットの排気分岐路の背圧が一層低下し、装置全体としても排気の排出抵抗が一層低下する。
【００２１】
請求項７記載の発明に係る排気熱発電装置は、請求項６記載の排気熱発電装置において、前記排気導入管の下流端を閉塞する閉塞壁を備え、前記排気排出路は、前記排気導入管の上流側に連通する前記排気分岐路の出口が、前記排気導入管の下流側に連通する前記排気分岐路の出口よりも、排気排出方向の上流側に連通するように構成されており、かつ、前記排気導入管から該排気導入管の上流側に連通する排気分岐路に流入する排気の流入抵抗を、前記排気導入管から該排気導入管の下流側に連通する排気分岐路に流入する排気の流入抵抗よりも小としている。
【００２２】
請求項７記載の排気熱発電装置では、上流側の発電ユニットの排気分岐路から排出された排気は排気排出路に導入され下流（装置外部）側に流れ、この排気排出路における前記上流側排気の導入部の下流には、下流側発電ユニットの排気分岐路から排出された排気が合流する。これにより、排気排出路を、排気導入管の長手方向（複数の発電ユニットの直列方向）に長手の直管状に形成することが可能である。
【００２３】
また、閉塞壁が排気導入管の下流端が閉塞するため、機関からの排気は全量が発電ユニットよる発電に利用される。さらに、排気導入管に上流側で連通する発電ユニットの排気分岐路への排気流入抵抗が、下流側発電ユニットへの排気流入抵抗よりも小であるため、各発電ユニットの排気分岐路を通過する排気量の均等化が図られる。
【００２４】
請求項８記載の発明に係る排気熱発電装置は、請求項６又は請求項７記載の排気熱発電装置において、前記排気導入管の長手方向に沿って直線状に配置される複数の発電ユニットから成る発電ユニット群を、該排気導入管の周方向に複数配置し、周方向に隣り合う発電ユニット群の間に前記排気排出路を配置した。
【００２５】
請求項８記載の排気熱発電装置では、複数の発電ユニットを排気導入管の長手方向に沿って直線状に配置して構成された発電ユニット群を複数備えるため、発電量を大きくすることができる。そして、排気導入管の周方向に隣り合う発電ユニット群の間に形成される空間に排気排出路が配置されるため、上記の如く発電量を増しながら装置全体としてコンパクトに構成することができる。
【００２６】
請求項９記載の発明に係る排気熱発電装置は、請求項８記載の排気熱発電装置において、前記排気導入管は、長手方向に対し直角な断面視における外縁が多角形状に形成され、平坦な外面と前記路壁との間に前記排気分岐路を形成する。
【００２７】
請求項９記載の排気熱発電装置では、排気導入管の外周が断面視多角形状であるため、該多角形の各辺（の一部でも良い）の外側に発電ユニット（群）を配置することができる。このように多角形の全ての辺の外側に発電ユニット（群）を配置しても、多角形の頂部の外側に排気排出路を配置することができる。また、路壁との間に排気分岐路を形成する外面が平坦であるため、円弧形状の場合と比較して、集熱フィンの形状を簡素化することができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように本発明に係る排気熱発電装置は、簡単な構造で効率良く発電を行なうことができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の第１の実施形態に係る排気熱発電装置１０について、図１乃至図１２に基づいて説明する。なお、各図に適宜矢印Ａにて示す方向は、排気熱発電装置１０が適用される自動車１２の前方向を表すものとする。また、アンダーバー（下線）を付した符号にて示す部分は、ガス流路や孔等の空間を示すのものとする。
【００３０】
図１２には、排気熱発電装置１０を適用した自動車１２の該略構成が底面図にて示されている。この図に示される如く、自動車１２は、本発明における機関としての内燃機関であるエンジン１４を備えている。エンジン１４からの排気である高温の排気ガスは排気マニホールド１６にて集合され、排気管１８を通じてマフラー２０に導入され、該マフラー２０から車外に排出されるようになっている。そして、排気管１８の中間部、すなわちエンジン１４（排気マニホールド１６）とマフラー２０との間に、エンジン１４の排気ガスが有する熱を発電に利用する排気熱発電装置１０が設けられている。以下、排気熱発電装置１０について詳細に説明する。
【００３１】
図２には、排気熱発電装置１０の外観が側面図にて示されており、図３には、排気熱発電装置１０が図２の３−３線に沿う断面図にて示されている。そして、図１には、排気熱発電装置１０が図３の１−１線に示す側断面図にて示されている。この図１及び図３に示される如く、排気熱発電装置１０は、エンジン１４の排ガスによって加熱される高温側の集熱部材５０とエンジン冷却水によって冷却される低温側熱交換器５４との間に挟まれた複数の熱発電素子（熱電素子モジュールともいう）５２を備え、この熱発電素子５２が高温側と低温側との温度差に応じた起電力を生じる発電装置とされている。以下、具体的に説明する。
【００３２】
図１及び図２に示される如く、排気熱発電装置１０は、ハウジング２２を備えている。ハウジング２２は、その前部を構成する触媒ハウジング２４と、触媒ハウジング２４の後端に繋がる発電ユニットハウジング２６とを備えて構成されている。触媒ハウジング２４は、略正方形筒状に形成された触媒収容部２４Ａと、触媒収容部２４Ａの前後端に連続するテーパ部２４Ｂ、２４Ｃとで構成されている。テーパ部２４Ｂ、２４Ｃは、それぞれ触媒収容部２４Ａとの境界側から該触媒収容部２４Ａとは反対側の端部に向けて徐々に絞られて構成されている。前側のテーパ部２４Ｂの前端には、排気ガス導入管２８が接続されており、排気ガス導入管２８の前端にはフランジ２８Ａが設けられている。ハウジング２２は、フランジ２８Ａにおいてエンジン１４側の排気管１８の後端に排気ガスの導入可能に連結される構成とされている。
【００３３】
図４にも示される如く、触媒ハウジング２４の触媒収容部２４Ａには触媒３０が充填されている。触媒３０は、排気ガス導入管２８から触媒ハウジング２４に導入され該触媒３０に接触しつつ触媒収容部２４Ａを通過する排気ガスを浄化するようになっている。触媒３０にて浄化された排気ガスは、テーパ部２４Ｃを通過して発電ユニットハウジング２６に導入される構成である。
【００３４】
発電ユニットハウジング２６は、略正方形筒状に形成されており、その前端が触媒ハウジング２４のテーパ部２４Ｃの後端に連続している。図３に示される如く、発電ユニットハウジング２６内の四隅には、それぞれ略正方形筒状に形成された排気ガス出口ヘッダとしての角パイプ３２が配設されている。各角パイプ３２は、一角を発電ユニットハウジング２６の対応する角に略一致させて、該一角を成す２辺が発電ユニットハウジング２６の対応する角を成す２辺に沿わせるように配置されている。各角パイプ３２の前後端は、それぞれ発電ユニットハウジング２６の前後端位置に略一致している。なお、発電ユニットハウジング２６は、その正方形状の内面に各角パイプ３２の外面を当接させても良く、水平方向又は鉛直方向に隣り合う角パイプ３２管を板状部材にて架け渡すことで（各角パイプ３２の上記一角を成す２辺を含んで）正方形筒状に形成されても良い。
【００３５】
この発電ユニットハウジング２６の後端には、後端側で絞られたテーパ筒状のテーパハウジング３４が接続されており、排気ガス集合部として機能するようになっている。このテーパハウジング３４の後端には、排気ガス導出管３６が接続されており、排気ガス導出管３６の後端にはフランジ３６Ａが設けられている。ハウジング２２は、フランジ３６Ａにおいてマフラー２０側の排気管１８の前端に排気ガスの導出可能に連結される構成とされている。
【００３６】
また、ハウジング２２の発電ユニットハウジング２６の軸心部には、排気ガス導入管としての高温ガス導入パイプ３８が配設されている。高温ガス導入パイプ３８は、発電ユニットハウジング２６と略同じ長さの略正方形筒状に形成されており、その外周の１辺の長さが水平方向又は鉛直方向に隣り合う角パイプ３２間の対向面間距離よりも若干小とされている。高温ガス導入パイプ３８の前端は開口端３８Ａとされており、該開口端３８Ａから触媒ハウジング２４内にて浄化された排気ガスが導入されるようになっている。一方、高温ガス導入パイプ３８の後端は、閉塞壁としての閉塞壁部３８Ｂによって閉塞された閉塞端とされている。
【００３７】
さらに、図１及び図５に示され如く、発電ユニットハウジング２６の前端と触媒ハウジング２４のテーパ部２４Ｃ後端との間には、隔壁４０が設けられている。隔壁４０は、発電ユニットハウジング２６の内側に嵌合すると共に高温ガス導入パイプ３８の外側に嵌合しており、テーパ部２４Ｃからの排気ガスが高温ガス導入パイプ３８の開口端３８Ａ以外の部分から発電ユニットハウジング２６内に導入されることを阻止する構成とされている。すなわち、排気熱発電装置１０では、触媒ハウジング２４からの排気ガスが高温ガス導入パイプ３８を通じて発電ユニットハウジング２６に供給されるようになっている。このため、高温ガス導入パイプ３８のパイプ壁には、複数の連通孔４２が設けられているが、これについては後述する。
【００３８】
そして、図３に示される如く、発電ユニットハウジング２６内の空間は、各角パイプ３２内の４つの空間、高温ガス導入パイプ３８内の空間、及び残余の空間に区切られている。この残余の空間は、水平方向又は鉛直方向に隣り合う角パイプ３２の対向面と、高温ガス導入パイプ３８の外面と、発電ユニットハウジング２６の内面（後述する素子接触板５０Ａの内面）とで略矩形状に囲まれ、高温ガス導入パイプ３８の周方向に沿って配置された４つの空間に区切られている。
【００３９】
さらに、図１に示される如く、上記高温ガス導入パイプ３８の周方向に区切られた４つの空間（隣り合う角パイプ３２間の空間）は、さらに高温ガス導入パイプ３８（発電ユニットハウジング２６）の長手方向に沿って複数（本実施形態では各４つ）の空間に区切られている。これら発電ユニットハウジング２６内における各角パイプ３２、高温ガス導入パイプ３８の外側の複数（本実施形態では計１６箇所）の空間が、それぞれ排気ガス分岐路としての高温側熱交換路４４とされている。具体的には、図７乃至図９に示される如く、高温ガス導入パイプ３８の長手方向に隣り合う高温側熱交換路４４間には、該隣り合う高温側熱交換路４４間を閉塞する仕切壁４６が設けられている。各仕切壁４６は、高温ガス導入パイプ３８の長手方向に等間隔に配置されており、各高温側熱交換路４４の高温ガス導入パイプ３８の長手方向に沿う長さが一定とされている。
【００４０】
各高温側熱交換路４４には、高温ガス導入パイプ３８から排気ガスが導入されるようになっている（以下、高温ガス導入パイプ３８内の空間をガス導入路３８Ｃという場合がある）。このため、高温ガス導入パイプ３８における各高温側熱交換路４４の内側壁を構成する部分には、ガス導入路３８Ｃと対応する高温側熱交換路４４とを連通する連通孔４２が設けられている。図１に示される如く、各連通孔４２は、対応する高温側熱交換路４４の前部に連通する配置とされている。したがって、高温ガス導入パイプ３８の長手方向に沿って直列する各高温側熱交換路４４は、該高温ガス導入パイプ３８における長手方向の異なる部分に連通している（異なる部分から分岐している）。
【００４１】
また、図６、図８及び図９に示される如く、各角パイプ３２の側壁には、各角パイプ３２内の空間であるガス排出路３２Ａと各高温側熱交換路４４（最も後端に配置される高温側熱交換路４４を除く）の後部とを連通するガス排出口４８が設けられている。ガス排出口４８は、対応する高温側熱交換路４４を挟むように位置する角パイプ３２の対向面に共に設けられている。そして、隣接する高温側熱交換路４４間を閉塞する仕切壁４６は、排気ガスをガス排出路３２Ａに導く、本発明における「排気案内部材」として機能する。
【００４２】
以上により、触媒ハウジング２４から高温ガス導入パイプ３８内のガス導入路３８Ｃに導入された排気ガスは、図８に示される如く連通孔４２、高温側熱交換路４４（最も後端に配置される高温側熱交換路４４を除く）、ガス排出口４８、角パイプ３２内のガス排出路３２Ａを経由して、テーパハウジング３４に導かれ、ガス導入路３８Ｃから最も後端に配置される高温側熱交換路４４に対応する連通孔４２を通じて導入された排気ガスは、該高温側熱交換路４４から直接的にテーパハウジング３４に導かれるようになっている。テーパハウジング３４に導かれた排気ガスは、集合して排気ガス導出管３６に導かれ、排気管１８によってマフラー２０へ導入されるようになっている。
【００４３】
図１０に模式的に示される如く、連通孔４２は、前側（ガス導入路３８Ｃの上流側）の高温側熱交換路４４に連通するものの方が、後側の高温側熱交換路４４に連通するものよりも数が多い（連通面積が広い）構成とされている。これにより、通過後の流動抵抗が大きい前側の高温側熱交換路４４ほど排気ガスの流入抵抗が低減され、高温ガス導入パイプ３８の長手方向に直列する各高温側熱交換路４４からテーパハウジング３４まで流れる排気ガスの流動抵抗、すなわち各高温側熱交換路４４の排気ガス流量（交換熱量）が均等化される構成である。本実施形態では、ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ）等の数値解析手法を用いて、各高温側熱交換路４４の排気ガスの流量バランスが最適化される連通孔４２の孔形状、個数、配置を採用している。
【００４４】
また、図１及び図３に示される如く、排気熱発電装置１０は、高温側熱交換促進部材である集熱部材５０を備えている。集熱部材５０は、本発明における路壁としての素子接触板５０Ａと、素子接触板５０Ａの一面から立設された多数の集熱フィン５０Ｂとを有して構成されている。集熱部材５０は、素子接触板５０Ａが平板状に形成されると共に、各集熱フィン５０Ｂが素子接触板５０Ａに対しほぼ直立する薄板状に形成されており、断面視では略櫛状に形成されている（図３参照）。
【００４５】
図９に詳細に示される如く、集熱部材５０は、発電ユニットハウジング２６における各高温側熱交換路４４に対応して（上下方向又は左右方向に隣り合う角パイプ３２間に）設けた貫通孔２６Ａを素子接触板５０Ａにて閉塞しつつ、集熱フィン５０Ｂを高温側熱交換路４４内に突出させている。集熱部材５０は、溶接等によって発電ユニットハウジング２６に固着されても良く、熱発電素子５２と共に保持部材による保持力にて発電ユニットハウジング２６に保持されるようにしても良い。
【００４６】
この状態で、各集熱フィン５０Ｂの先端と高温ガス導入パイプ３８外面との隙間は、隣り合う集熱フィン５０Ｂ間の距離よりも小となる設定とされている。またこの状態で、集熱フィン５０Ｂ（間の隙間）は前後方向すなわち排気ガス流れ方向に沿って配置されており、かつ各集熱フィン５０Ｂの後端位置がガス排出口４８の前縁位置に略一致している。広義には、上記のとおり高温側熱交換路４４が本発明における「排気ガス分岐路」に相当するが、狭義には、高温側熱交換路４４の前後方向における集熱フィン５０Ｂが入り込んでいる部分が本発明における「排気ガス分岐路」に相当する。
【００４７】
以上により、本実施形態では、各高温側熱交換路４４は、集熱部材５０の素子接触板５０Ａと高温ガス導入パイプ３８との間に形成される構成とされている。これにより、矩形筒状に形成された発電ユニットハウジング２６に集熱フィン５０Ｂを設ける構成よりも加工（排気熱発電装置１０の製造）を容易にしている。なお、上記の如く各角パイプ３２間に平板を架け渡して発電ユニットハウジング２６を構成する場合には、該平板に予め集熱フィン５０Ｂを設けておくことも可能である。
【００４８】
そして、図１及び図３に示される如く、各集熱部材５０の素子接触板５０Ａにおける集熱フィン５０Ｂ立設側と反対側の面には、それぞれ熱発電素子５２の高温側の面が接触している。一方、平板状に形成された熱発電素子５２の高温側の面とは反対側の面、すなわち低温側の面には、低温側熱交換器５４が接触している。熱発電素子５２は、例えばゼーベック効果などによって、高温側と低温側との温度差に基づく起電力を生じる構成とされている。図１に示される如く、１つの熱発電素子５２、これに接触する集熱部材５０（路壁及び集熱フィン）及び低温側熱交換器５４が、１つの発電ユニット５６を構成しており、高温ガス導入パイプ３８の長手方向に沿って直列した複数（本実施形態では４つ）の発電ユニット５６が１つの発電ユニット群５８を構成してしている。
【００４９】
したがって、本実施形態に係る排気熱発電装置１０は、発電ユニット群５８が高温ガス導入パイプ３８の周方向沿って４つ設けられており、計１６の発電ユニット５６を有する構成とされている。さらに、図１及び図４に示される如く、排気熱発電装置１０は、触媒ハウジング２４の各外面を高温源とする４つの発電ユニット６０を備えている。具体的には、発電ユニット６０は、熱発電素子５２と、熱発電素子５２の高温側の面に接触する触媒収容部２４Ａの集壁と、熱発電素子５２の低温側の面に接触する低温側熱交換器５４とで構成されている。
【００５０】
図２に示される如く、各発電ユニット群５８を構成する４つの低温側熱交換器５４は、それぞれ３つの連結パイプ６２を介して直列に連通している。また、これら直列に連通した４つの低温側熱交換器５４のうち前端に位置する低温側熱交換器５４の出口側と、該低温側熱交換器５４の前方に位置する発電ユニット６０の低温側熱交換器５４の入口側とは、フレキシブルチューブ６４を介して連通している。さらに、各発電ユニット群５８を構成する４つの低温側熱交換器５４のうち後端に位置する各低温側熱交換器５４の入口側は、フレキシブルチューブ６６を介して入口側リングヘッダ６８に連通している。入口側リングヘッダ６８には、冷媒としてのエンジン冷却水を図示しないウォータポンプから導入するための冷却水導入管７０が接続されている。導入されるようになっている。また、各発電ユニット６０の低温側熱交換器５４の出口側は、それぞれフレキシブルチューブ７２を介して出口側リングヘッダ７４に連通している。出口側リングヘッダ７４には、冷媒としてのエンジン冷却水を、エンジン１４を経由して又は直接的にラジエータに導入する）ための冷却水導出管７６が接続されている。
【００５１】
以上説明した排気熱発電装置１０は、エンジン１４の排気ガスが有する熱エネルギを発電ユニット５６、６０すなわち熱発電素子５２による電気エネルギに変換する（詳細は本実施形態の作用ととも説明する）ことで、排気ガス温度を低減する構成とされている。排気ガスの温度低下によって排気音を低下する効果が得られるので、排気熱発電装置１０は、サブマフラーとしても機能する構成とされている。すなわち、排気熱発電装置１０は、触媒システム、サブマフラー、発電装置の３機能を一体化した装置として把握することができる。
【００５２】
また、図１２に示される如く、排気熱発電装置１０は、自動車１２の底部に搭載されており、カバー部材７８にて覆われている。このカバー部材７８によって、排気熱発電装置１０が走行風に曝されたり、熱発電素子５２又は電気接続構造部分への被水、泥はね、飛び石などが防止される構成とされている。排気熱発電装置１０によって発電された電力は蓄電池（バッテリ）に蓄えられるようになっている。なお、各発電ユニット５６、６０の電気的接続等の構造については図示及び説明を省略する。
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００５３】
上記構成の排気熱発電装置１０では、自動車１２のエンジン１４が始動すると、排気ガス導入管２８から触媒ハウジング２４内に排気ガスが導入される。触媒ハウジング２４内では触媒３０に接触しつつ流れる排気ガスが浄化され、この排気ガスは高温ガス導入パイプ３８内に形成されているガス導入路３８Ｃに導入される。ガス導入路３８Ｃに導入された排気ガスは、該ガス導入路３８Ｃの長手方向の各部で連通孔４２を通じて高温側熱交換路４４に導入され、集熱フィン５０Ｂと接触しつつ素子接触板５０Ａに熱を与える（熱交換する）。すなわち、各発電ユニット５６において、熱発電素子５２の高温側が加熱される。また、触媒ハウジング２４を通過する排気ガスは、発電ユニット６０の熱発電素子５２の高温側を加熱する。
【００５４】
上記熱交換によって冷却されつつ高温側熱交換路４４を通過した排気ガスは、ガス排出口４８から角パイプ３２内に形成されているガス排出路３２Ａに排出される。各ガス排出路３２Ａを通過した排気ガスは、テーパハウジング３４にて合流し、排気ガス導出管３６から排気熱発電装置１０外の排気管１８に導出される。そして、この排気ガスはマフラー２０にて排気ガス音を低減されながら自動車１２の外部である大気中に放出される。
【００５５】
一方、エンジン冷却水は、エンジン１４のウォータポンプの作動によって、冷却水導入管７０、入口側リングヘッダ６８、各フレキシブルチューブ６６を通じて各発電ユニット群５８に供給される。各発電ユニット群５８では、エンジン冷却水が各低温側熱交換器５４を直列に流れて熱発電素子５２の低温側を冷却する。各発電ユニット群５８を通過したエンジン冷却水は、フレキシブルチューブ６４を通じて発電ユニット６０の低温側熱交換器５４に流れ込み、該発電ユニット６０の熱発電素子５２の低温側を冷却する。各発電ユニット６０を通過してエンジン冷却水は、出口側リングヘッダ７４で合流し、冷却水導出管７６を通じてラジエータに送給され、該ラジエータにて冷却された後ウォータポンプに戻される。
【００５６】
以上のように、各発電ユニット５６、６０を構成する熱発電素子５２の高温側が排気ガスの熱を有効利用して加熱されると共に、各熱発電素子５２の低温側が冷却水にて冷却されることで、各熱発電素子５２の高低温側間の温度差が確保され、各熱発電素子５２は、この温度差に基づく起電力を生じる。すなわち、各発電ユニット５６、６０では、熱発電素子５２が発電を行なう。発電された電力は、自動車１２に搭載された蓄電池であるバッテリに蓄えられる（バッテリを充電する）。
【００５７】
ここで、排気熱発電装置１０では、各発電ユニット５６を構成する高温側熱交換路４４がそれぞれ高温ガス導入パイプ３８から分岐しているため、各高温側熱交換路４４には高温ガス導入パイプ３８から高温の排気ガスが直接的に導入され、各高温側熱交換路４４導入される排気ガスの温度差が小さくなる。
【００５８】
特に、排気熱発電装置１０では、各高温側熱交換路４４の後端（排気ガス出口部）がガス排出口４８を通じて排気ガス出口ヘッダであるガス排出路３２Ａ（角パイプ３２）にのみ連通しているため、各高温側熱交換路４４を通過した排気ガスはガス排出路３２Ａを通じて装置外部に導かれる。このため、前側（ガス導入路３８Ｃにおける排気ガス流上流側）でガス導入路３８Ｃから分岐した高温側熱交換路４４を通過した排気ガスが、これよりもガス導入路３８Ｃの下流側で分岐した高温側熱交換路４４導入されることが防止される。これにより、各高温側熱交換路４４には、ガス導入路３８Ｃから直接的に導入される排気ガスのみが流れるため、高温側熱交換路４４毎の排気ガスの温度差が一層小さくなる。また、各高温側熱交換路４４の排気ガス流量が減るため、各高温側熱交換路４４の背圧（排気ガス流量にほぼ比例する圧力損失）が低減し、排気ガス効率が良好である。
【００５９】
以上のことを図を用いて説明すると、排気熱発電装置１０の排気ガス流れは、図１１（Ａ）に示すようになる。この模式図から、排気熱発電装置１０では、ガス導入路３８Ｃから各高温側熱交換路４４に直接的に排気ガスが導入され、かつ各高温側熱交換路４４を通過した排気ガスが他の高温側熱交換路に導入されることなく排出されることが分かる。これにより、各高温側熱交換路４４を流れる排気ガスの温度がほぼ一定になる。
【００６０】
一方、図１１（Ｂ）に実線にて示す第１の比較例（排気熱発電装置１０に対応する部品・部分には同一の符号を用いて説明する）では、各高温側熱交換路４４にガス導入路３８Ｃから排気ガスが直接的に導入されるものの、下流側の高温側熱交換路４４には上流側の高温側熱交換路４４を通過した排気ガスが導入されてしまうことが分かる。これにより、第１の比較例では、従来技術のように高温側熱交換路を排気管内に直列に形成した構成（集熱フィンの形状を考慮しない構成）よりも上下流の温度差を小さくすることができるものの、下流側の高温側熱交換路４４を通過する排気ガスの温度は、上流側の高温側熱交換路４４を通過する排気ガスの温度よりも低くなってしまう。
【００６１】
図１１（Ｂ）に想像線にて示すように、本実施形態に係る排気熱発電装置１０は、上記第１の比較例の構成に、上流側の高温側熱交換路４４から下流側の高温側熱交換路４４への排気ガス導入を阻止する仕切壁４６を設けると共に、各高温側熱交換路４４からの排気ガス排出を許容するガス排出路３２Ａ（本質的にはガス排出口４８）を設けることで、図１１（Ａ）に示す排気ガス流れ構造を実現している。
【００６２】
以上により、各高温側熱交換路４４を通過する排気ガス温度が略均一化される排気熱発電装置１０では、各高温側熱交換路４４に配置される集熱フィン５０Ｂの構造を複雑化しなくても良好な発電効率を得ることができる。すなわち、本排気熱発電装置１０では、良好な発電効率を得ながら、各発電ユニット５６の集熱フィン５０Ｂを同じ構造とすること（すなわち装置構造の簡素化）が実現されている。
【００６３】
そして、排気熱発電装置１０では、各発電ユニット群５８の高温側熱交換路４４が高温ガス導入パイプ３８の長手方向における互いに異なる部分から分岐しているため、各高温側熱交換路４４を高温ガス導入パイプ３８の外面に近接して配置することができる。このため、装置全体としてコンパクトに構成することが可能である。例えば、図１１（Ｃ）に示す第２の比較例（排気熱発電装置１０に対応する部品・部分には同一の符号を用いて説明する）のように、各高温側熱交換路４４を単に高温ガス導入パイプ３８の長手方向（排気ガス流れ方向）の同じ位置から分岐させた構成では、各高温側熱交換路４４の配置に制約を受けるほか、高温ガス導入パイプ３８から各高温側熱交換路４４まで排気ガスを導く配管（ヘッダ）Ｘ、各高温側熱交換路４４を通過した排気ガスを導出する配管（又はヘッダ）Ｙの構造が複雑化する。
【００６４】
本実施形態に係る排気熱発電装置１０は、各発電ユニット群５８の高温側熱交換路４４を高温ガス導入パイプ３８の長手方向における互いに異なる部分に連通させることで、排気ガスが並列に流れる各高温側熱交換路４４を直列に配置することを実現している。これにより、各発電ユニット群５８は直列に配置された発電ユニット５６にて構成され、また排気ガスに対し十分に熱容量の大きい冷却水を用いる冷却系は、各低温側熱交換器５４を配置上及び流れ上の何れの観点からも直列に配置して構造の簡素化が図られている。
【００６５】
このように、本実施形態に係る排気熱発電装置１０簡単な構造で効率良く発電を行なうことができる。
【００６６】
また、排気熱発電装置１０では、各発電ユニット群５８において、上流側でガス導入路３８Ｃから分岐する高温側熱交換路４４への排気ガス流入抵抗が、下流側でガス導入路３８Ｃから分岐する高温側熱交換路４４への排気ガス流入抵抗よりも小とされているため、各高温側熱交換路４４を通過する排気ガスの流量も均一化される。すなわち、各高温側熱交換路４４には、温度・流量とも（熱エネルギが）ほぼ均等化された排気ガスが通過し、排気熱発電装置１０全体としての発電効率が一層良好である。また、各高温側熱交換路４４の排気ガス流量が均等化されるため、例えば図１１（Ｂ）のようなＮ個の高温側熱交換路を排気ガスが通過する構成と比較して各高温側熱交換路４４の背圧が１／Ｎ（この実施形態では１／４）となる。
【００６７】
さらに、排気熱発電装置１０では、４つの発電ユニット群５８を高温ガス導入パイプ３８の周方向に配置して構成されているため、発電量が大きい。そして、高温ガス導入パイプ３８の周方向に隣り合う発電ユニット群５８の間に形成される空間にガス排出路３２Ａを形成する角パイプ３２が配置されるため、換言すれば、発電ユニットハウジング２６の四隅に配置した角パイプ３２間にそれぞれ発電ユニット群５８（の高温側熱交換路４４）を配置する上記の如く発電量を増しながら排気熱発電装置１０としてコンパクトに構成することができる。また、高温ガス導入パイプ３８の周方向に隣り合う発電ユニット群５８間に角パイプ３２を配置することで、冷却系の低温側熱交換器５４等の配置に干渉することなく、ガス排出路３２Ａを設けることができる。
【００６８】
特に、排気熱発電装置１０では、高温ガス導入パイプ３８の外周が断面視で正方形状に形成されているため、高温ガス導入パイプ３８の外周の各辺を規定する平坦面の外側に発電ユニット群５８を配置すると共に、頂部の外側に空いた発電ユニット群５８間の空間をガス排出路３２Ａとして利用することで、発電ユニットハウジング２６内の空間が全て有効に利用されており、排気熱発電装置１０として一層コンパクトに構成することができる。また、高温ガス導入パイプ３８における高温側熱交換路４４を形成する該面が平坦面であるため、該平坦面と平板状の素子接触板５０Ａとの間に断面視で略矩形状の空間として高温側熱交換路４４が形成されている。このため、各高温側熱交換路４４内に突出する集熱フィン５０Ｂは、それぞれ単に大きさが一定の薄板を等間隔に並べて構成することができ、構造が一層簡単である。
【００６９】
なお、上記実施の形態では、高温ガス導入パイプ３８が正方形筒状に形成された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、高温ガス導入パイプ３８を単なる円筒状に形成しても良く、高温ガス導入パイプ３８を六角形や八角形状に形成しても良い。
【００７０】
また、上記実施の形態では、排気熱発電装置１０が図１１（Ａ）に示す排気ガス流れを実現する構成としたが、本発明はこれに限定されず、例えば、排気熱発電装置１０は図１１（Ｂ）に示す第１の比較例の如き排気ガスの流路を形成するものであっても良い。また、第１の比較例に仕切壁４６又はガス排出路３２Ａを付加しても良いことは言うまでもない。
【００７１】
さらに、上記実施の形態では、排気熱発電装置１０が触媒３０を収容する触媒ハウジング２４を有する構成としたが、本発明はこれに限定されず、例えば、排気熱発電装置１０は、触媒ハウジング２４及び発電ユニット６０等を備えない構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気熱発電装置の概略全体構成を示す、図３の１−１線に沿った断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る排気熱発電装置の側面図である。
【図３】図２の３−３線に沿った断面図である。
【図４】図２の４−４線に沿った断面図である。
【図５】図１の５−５線に沿った断面図である。
【図６】図１の６−６線に沿った断面図である。
【図７】図１の７−７線に沿った断面図である。
【図８】図３の８−８線に沿った断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する発電ユニットを拡大して示す側断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る排気熱発電装置の高温側熱交換路を通過した後の排気ガス流れを示す模式図である。
【図１１】（Ａ）は本発明の実施の形態に係る排気熱発電装置の排気ガス流れ経路を示す模式図、（Ｂ）は第１の比較例の排気ガス流れ経路を示す模式図、（Ｃ）は第２の比較例の排気ガス流れ経路を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る排気熱発電装置を適用した自動車の底面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０    排気熱発電装置
１４    エンジン（機関）
２６    発電ユニットハウジング（路壁）
３２    角パイプ（排気排出路）
３８    高温ガス導入パイプ（排気導入管）
３８Ｂ  閉塞壁部（閉塞壁）
４４    高温側熱交換路（排気分岐路）
４６    仕切壁（排気案内部材）
５０Ａ  素子接触板（路壁）
５０Ｂ  集熱フィン
５２    熱発電素子
５６    発電ユニット
５８    発電ユニット群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006083725.tif 000010
【図９】
2006083725.tif 000011
【図１０】
2006083725.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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